铁-氮掺杂碳基催化剂的穆斯堡尔谱研究

Fe-N-doped carbon materials are a class of noble-metal-free catalysts with excellent application prospects. However, the optimization of such catalysts requires further clarification of the active species in the catalyst, the structure and the content of the active center. In this project, the active species and their structural characteristics will be determined by the combination of the in situ and the temperature-dependent Mössbauer spectroscopy. Through obtaining the recoil-free fraction of the active species, it is convenient to calculate the exact content of them, so as to further optimize the catalyst preparation method, support the practical application of this catalyst. This project will focus on the active center of catalysts in the in situ measurement process. It is designed to produce the in situ reaction cell and to find the appropriate test conditions and methods. Then, the structure of the active center is analyzed by in situ measurement. The method of structural analysis for these problems will be established, in order to provide reliable basis and guidance for evaluating and further optimizing the catalyst. This program will promote the investigation of noble-metal-free catalysts, especially Fe-N-doped carbon materials, and provide a path for the application of Mössbauer spectroscopy in the chemical field.

Fe-N掺杂的碳基材料是一类具有应用前景的性能优异的非贵金属催化剂。然而，该类催化剂的优化需要进一步明确催化剂中的活性物种、活性中心的构型和活性中心的含量。本项目提出通过原位穆斯堡尔谱和变温穆斯堡尔谱结合的方式，确定反应中活性物种，及其结构特征，并通过变温穆斯堡尔谱测量得到活性物种的无反冲分数，计算出其准确的含量，从而为进一步优化催化剂制备方法，筛选催化剂提供切实的支持。本项目将重点研究原位测量过程中的催化剂活性中心的变化，拟通过设计，制作原位反应池，找到合适的测试条件和测试方法；继而通过原位测量结果分析催化剂活性中心的结构，并建立此类问题的结构分析方法和规律；为评价催化剂，筛选催化剂，以及进一步优化催化剂的制备提供可靠的依据和指导。本项目将促进非贵金属碳基催化剂的研究，特别是Fe-N掺杂的碳基材料的研究，并为穆斯堡尔谱在化学领域的应用提供一条路径。

过渡金属-氮共掺杂的碳材料在能源材料领域具有巨大应用前景，其较低的制备成本和优异的催化性能使得此类材料得到了非常多的研究者的关注。过渡金属和氮共掺杂的碳材料在燃料电池，超级电容器，金属空气电池等电极材料中，在CO2还原，固氮和合成氨等反应中都有很多的应用研究，其中铁-氮掺杂的碳材料因为在氧还原反应中具有最高反应活性，所以对其活性中心结构，反应过程中Fe原子同碳材料载体间的相互作用，以及N与Fe活性中心得不同配位的作用成为主要的研究内容。本项目从合成不同Fe-N共掺杂的碳材料出发，建立了不同Fe负载量，不同Fe源的二维和三维碳材料的制备与合成，同时还制备了不同S掺杂，以及Co，Ni等过渡金属同Fe元素不同比例掺杂的碳氮材料；通过测试以上材料在氧还原反应，以及作为超级电容器和金属空气电池中的电极材料的电化学性能，分析Fe-N结构同电化学性能间关系，建立结构同活性间的分析模型。并且通过变温穆斯堡尔谱和原位穆斯堡尔谱测试来分析不同结构与不同Fe物种同催化电化学反应间的关系。本研究的目的是在Fe-N掺杂碳材料的Fe活性中心的配位结构和物种组成与反应中的催化活性之间建立精确的相关性，为改进Fe-N共掺碳材料的优化制备和大规模应用提供理论指导。